河南煙區空氣源熱泵密集烤房應用實踐研究

李佳穎，張兆揚，禹 洋，常劍波，程相國，秦偉樺，張 博*，王娓娓*

（1.河南省煙草公司 三門峽市公司，河南 三門峽 472000；2.河南省三門峽市煙草公司 澠池縣分公司，河南 澠池 472400；3.河南省煙草公司 南陽市公司，河南 南陽 473000）

烤煙調制與烤房設備密切相關。自2009年煙草行業出臺《密集烤房技術規范》以來，烤煙調制設施基本上實現了從傳統的自然通風烤房到熱風強制循環、自動化程度高的密集烤房的演變［1］。在2018年以前，國內密集烤房主要利用煤炭直接燃燒供熱。燃煤由于燃燒和升穩溫不穩定，不僅影響烤后煙葉質量，而且供熱的熱能利用效率較低，環境污染嚴重［2-4］。隨著現代煙草農業的快速發展，以煤炭為主要能源的煙葉調制方式在資源利用、環境保護等方面已無法適應煙葉高質量發展的需求，在煙葉烘烤領域改變傳統的燃煤供熱方式，實現綠色、環保、節能的現代化的煙草農業生產方式，成為今后密集烤房節能減排研究的重點和發展趨勢［5］。

近年來，生物質、熱泵、太陽能等清潔能源被逐步應用于煙葉烘烤領域，其中熱泵烤房具有高效節能、舒適環保等特點，日益被烘烤從業人員推崇。熱泵烤房主要由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器等核心部件組成，利用熱泵吸收空氣中的熱量，將其送入烤房加熱室內，熱空氣通過煙層后返回烤房加熱室進行循環［6］。河南煙區是黃淮平原的重要煙區之一，從2013年開始示范應用熱泵密集烤房。2020年，河南煙區在許昌和三門峽設置了2處熱泵烤房“賽馬”試驗平臺，開展賽馬比武和技術攻關，并于2020年底正式發布了空氣源熱泵密集烤房系列標準。在2020～2022年期間，河南煙區9個煙葉主產區改造了2.65萬座燃煤烤房，新建了4000余座熱泵烤房，并于2021年開展了熱泵烤房跟蹤評價工作，全面梳理、系統總結了熱泵烤房在節能減排、減工降本、提升烘烤質量和增加煙農收入等方面的成效。以往熱泵技術專家和煙葉烘烤學者對熱泵烤房的研究多側重于應用理論研究［6-7］、單方面烘烤性能測試［8-9］，以及某一產區熱泵烤房的效率、效益對比分析［10-12］。筆者立足于河南煙區的實際情況，對比研究了熱泵烤房在9個不同產區的能耗水平、用工成本、建設質量等，以期為實現煙葉綠色烘烤目標，并為熱泵密集烤房在其他省份主產煙區的推廣與應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試樣本烤房從河南煙區3個片區、9個煙葉主產區的新建、改造熱泵烤房和燃煤烤房中選取，共選取125處熱泵烤房群、3092座熱泵烤房和22處燃煤烤房群、360座燃煤烤房開展跟蹤評價工作。

熱泵烤房裝煙室的規格均為8000 mm×2780 mm×3500 mm，熱泵機組額定制熱量＞40 kW，額定制熱性能系數COP≥4.0，其他相關參數的設置按照《空氣源熱泵密集烤房》 （Q/HNYC 050─2020）。

燃煤樣本烤房均為氣流下降式烤房，主體結構為紅磚混凝土，使用金屬爐膛供熱；裝煙室規格為8000 mm×2700 mm×3500 mm，滿足鮮煙裝煙量4500 kg以上。

1.2 評價指標及方法

評價指標主要包括能耗水平、用工成本、建設質量。

1.2.1 能耗水平 以2021年度整個烘烤季節耗電量為評價指標，統計烤房炕均耗電量和當地實際電價水平。

1.2.2 用工成本 調查統計每名烘烤師可操作的熱泵烤房和燃煤烤房的數量，以及當地用工成本，并折算為單座烤房炕均用工成本。

1.2.3 建設質量 對烤房群的整體建設情況進行評價，評價內容主要包括是否存在漏雨、漏氣和熱泵機組故障等質量問題。由烘烤師對烤房群的整體建設質量進行賦值打分，分為5個檔次，各檔次的評分標準為：10分≥好≥9分、9分＞較好≥7分、7分＞一般≥5分、5分＞較差≥3分、3分＞差≥0分。

1.3 試驗設計

通過采集供試烤房群烘烤基礎數據和調查統計等方式，分析河南煙區9個產區新建和改造熱泵烤房的能耗水平、建設質量等情況，并對比分析新建熱泵烤房（T1）、改造熱泵烤房（T2）和燃煤烤房（CK）在能耗成本、用工成本等指標上的差異。其中豫西煙區包括三門峽、洛陽、濟源；豫中煙區包括許昌、平頂山；豫南煙區包括南陽、駐馬店、信陽。供試烤房群及烤房的分布區域如表1所示。

表1 供試烤房群及烤房的分布區域

處理T1為新建熱泵烤房，設烤房群54處、烤房1280座；試驗數據采集地點主要分布在三門峽、洛陽、許昌等6個產區。處理T2為改造熱泵烤房，設烤房群71處、烤房1812座；試驗數據采集區域在9個煙葉主產區均有設置。對照CK為燃煤烤房，設烤房群22處、烤房360座；試驗數據采集地點分布在三門峽、洛陽、許昌等6個產區。

1.4 統計與分析

能耗成本、用工成本和建設質量等試驗數據處理采用Excel 2013和SPSS Statistics 23.0等統計分析軟件。應用Duncan氏新復極差法對試驗數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 能耗水平的對比分析

由表2可知：在2021年度整個烘烤季節，河南全省新建熱泵烤房耗電量的平均值為1342.5 kW·h，其中最小值為1000.0 kW·h，最大值為1900.0 kW·h，分別在許昌和三門峽產區；平均耗電量低于全省平均值的產區共計2個，分別為南陽和許昌產區，其中南陽煙區的平均耗電量最小，為1092.9 kW·h；高于全省平均值的產區共計4個，分別為三門峽、平頂山、洛陽和駐馬店產區，其中三門峽產區的耗電量最大，為1585.6 kW·h。方差分析結果顯示：三門峽、洛陽、平頂山和駐馬店產區的平均耗電量均與許昌、南陽產區間差異顯著，在許昌和南陽產區間差異顯著，這可能與產區的生態氣候條件和烘烤期間外界環境溫、濕度等因素有關。

表2 不同產區新建熱泵烤房的能耗水平

由表3可以看出：全省改造熱泵烤房耗電量的平均值為1766.3 kW·h，其中最小值和最大值均在洛陽產區，分別為1200.0和2600.0 kW·h；平均耗電量低于全省平均值的產區共計3個，分別為南陽、駐馬店和許昌產區，其中南陽的平均耗電量最小，為1465.7 kW·h；高于全省平均值的產區共計5個，分別為三門峽、濟源、洛陽、平頂山和信陽產區，其中三門峽的平均耗電量最大，為2085.5 kW·h。方差分析結果表明：三門峽的平均耗電量與濟源間的差異不顯著，但與洛陽等6個產區間的差異顯著；濟源與三門峽、洛陽、平頂山間的差異均不顯著，但與許昌等4個產區間的差異顯著；洛陽與濟源、平頂山間的差異均不顯著，但與三門峽等5個產區間的差異顯著；平頂山與洛陽等4個產區間的差異不顯著，但與三門峽、濟源和南陽這3個產區間的差異顯著；許昌、駐馬店和信陽間的差異不顯著，且均與除平頂山外的其他4個產區間的差異顯著；南陽與其他7個產區間的差異均顯著。

表3 不同產區改造熱泵烤房的能耗水平

由表4可知：新建熱泵烤房、改造熱泵烤房和燃煤烤房的炕均干煙量分別為450、500和500 kg，這可能與河南煙區新建熱泵烤房全部為3棚炕烤房，而改造熱泵烤房和燃煤烤房以4棚炕烤房居多有關。2021年度烘烤季燃煤的價格普遍較高，價格分布區間為900～2100元/t，平均價格為1300元/t，按照這個平均價格測算，燃煤烤房每烘烤1 kg干煙的燃料成本為2.60元。新建熱泵烤房、改造熱泵烤房和燃煤烤房的干煙烘烤成本分別為1.42、1.68和2.79元，炕均烘烤成本分別為639、840和1395元，因此，新建熱泵烤房和改造熱泵烤房與燃煤烤房相比，分別節省成本756和555元/炕，降低百分率分別為54.2%和39.8%。

表4 不同類型烤房的干煙烘烤能耗成本

2.2 用工成本對比分析

不同類型烤房烘烤的用工成本如表5所示。據調查統計，在煙葉烘烤過程中，每名烘烤師可管理的熱泵烤房數量為15～20座，并能夠實現無人值守烘烤煙葉。燃煤烤房烘烤團隊通常需要1名烘烤師搭配1～2名司爐工，可管理的烤房數量為8～12座，每名烘烤師平均可管理的烤房數量為4～6座。按照每炕烘烤時間6.5～8.0 d、用工成本150元/個進行測算，熱泵烤房和燃煤烤房的炕均用工分別為0.35～0.47和1.17～1.75個，炕均用工成本分別為52.5～70.0和175.0～262.5元/炕。

表5 不同類型烤房烘烤煙葉的用工成本

2.3 建設質量的綜合評價

不同產區熱泵烤房建設質量的評價結果（表6）顯示：全省125個樣本烤房群建設質量的平均得分為8.41分，處于較好檔次（7～9分）；最低得分為5.5分，分布在許昌產區；最高得分為10.0分，分布在駐馬店和三門峽產區；平均得分最高和最低的產區分別為駐馬店（8.94分）和南陽（8.13分），且均處于較好檔次。建設質量平均得分高于和低于全省平均值的產區均有4個，高于全省平均值的產區為駐馬店、三門峽、濟源和信陽，低于全省平均值的產區為南陽、平頂山、許昌和洛陽。

表6 不同產區熱泵烤房建設質量的綜合評價結果

3 結論與討論

本研究結果表明：河南全省新建熱泵烤房和改造熱泵烤房耗電量的平均值分別為1342.5和1766.3 kW·h：新建熱泵烤房和改造熱泵烤房的烘烤能耗成本與燃煤烤房相比，分別節省了756和555元/炕，降低率分別為54.2%和39.8%；熱泵烤房和燃煤烤房的炕均用工成本分別為52.5～70.0和175.0～262.5元/炕，前者比后者降低了70.0～73.3%。通過河南煙區9個產區的應用實踐證明，熱泵烤房在減工降本、節能減排等方面優勢較為突出。

河南煙區125個樣本熱泵烤房群建設質量的平均得分為8.41分，處于較好檔次。根據熱泵烤房省級驗收結果，河南全省9個煙葉產區大多數熱泵烤房的建設質量較好，符合建設規范和質量要求，能夠滿足煙葉烘烤需求。但由于2021年河南煙區汛期降雨量普遍比往年較大，在驗收時發現仍有143座熱泵烤房存在明顯的漏雨或漏氣現象，這些熱泵烤房主要分布在南陽、平頂山和濟源煙區。熱泵烤房漏雨、漏氣問題會直接影響煙葉的烘烤質量，造成烘烤損失，因此需在今后熱泵烤房的建設過程中引起高度重視，進一步加強現場施工監督和檢測的力度。

河南煙區熱泵烤房建設工作開展近3年來，在烘烤管理和技術創新等方面仍需做進一步的改進和提升。今后在烘烤管理方面的改進主要包括以下3個方面。

一是要加強烘烤培訓，提升煙農的烘烤技能。縱深推進煙農烘烤師隊伍的建設工作，分層級開展熱泵烤房建設標準和烘烤技術規程的宣傳和貫徹執行；通過制作和發放簡單易懂、可操作性強的服務手冊，進一步提高煙農的熱泵烤房操作水平和設備故障排查能力，真正用好熱泵烤房。

二是推進智能烘烤，提升烘烤管理水平。截至目前，河南煙區已安裝1.6萬套烘烤物聯網裝置用于開展智能烘烤工作。今后要繼續推進煙葉智能烘烤物聯網技術建設，把烘烤物聯網作為煙農增收的重要抓手，加強熱泵烤房烘烤物聯網數據的收集統計，為烘烤大數據分析評價提供強有力的基礎數據支撐，不斷提升烘烤管理水平， 減少烘烤損失，增加煙農收入。

三是加強電力保障，長效發揮烤房優勢。熱泵烤房配套電力資源的安全穩定運行是熱泵烤房有效發揮作用的基礎保障。在2021年度烘烤季，由于受限電政策的影響，豫南煙葉產區停電頻率較高、時長較長，導致個別炕次出現烤壞煙情況。目前，河南山地和丘陵植煙縣已出臺配套備用電力設備政策，統籌考慮管護運維成本；下一步將探討平原植煙縣逐年配置備用電力設備的可行性方案，進而為各產區長效發揮熱泵烤房的優勢奠定基礎。

在熱泵烤房的技術創新方面，目前河南煙區已完成熱泵烤房烤煙烘烤工藝技術評價，并制定了《空氣源熱泵密集烤房》和《空氣源熱泵密集烤房烘烤技術規程》 2項企業標準。整體式與分體式烤房散熱器散熱效率對比［13-14］、變頻機組與定頻機組對比［15］，以及微通道散熱器與銅管翅片式散熱器對比［16-17］等方面的研究將是河南煙區熱泵烤房下一步技術更新和研究示范的重點方向。